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1.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的由來

1.1.1 cims體系結(jié)構(gòu)及工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次劃分

根據(jù)工廠管理、生產(chǎn)過程及功能要求，cims體系結(jié)構(gòu)可分為5層，即工廠級(jí)、車間級(jí)、單元級(jí)、工作站級(jí)和現(xiàn)場級(jí)。簡化的cims則分為3層，即工廠級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場級(jí)。在一個(gè)現(xiàn)代化工廠環(huán)境中，在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，工業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同樣分為這三個(gè)層次，與簡化的網(wǎng)絡(luò)層次相對(duì)應(yīng)。如圖1-1所示。

圖1-1：簡化的cims網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.1.2 現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成是工廠自動(dòng)化及cims的重要部分。

現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級(jí)mis系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及cims系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.1.3 傳統(tǒng)的現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

傳統(tǒng)的現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于pc、、產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)i/o點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂i/o接線方式，信號(hào)傳遞4-20ma（傳送模擬量信息）或24vdc（傳送開關(guān)量信息）信號(hào)。如圖1-2所示：

圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

1.1.4 系統(tǒng)主要缺點(diǎn)

（1）信息集成能力不強(qiáng)： 控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠i/o連線連接，傳送4-20ma模擬量信號(hào)或24vdc等開關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能cims系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的要求。

（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20ma/24vdc連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。

（3）可靠性不易保證：對(duì)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的i/o電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

（4）可維護(hù)性不高：由于現(xiàn)場級(jí)設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

1.1.5 現(xiàn)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(shù)的原形

由于大規(guī)模的發(fā)展，許多、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化，即內(nèi)置cpu控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對(duì)于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口（如rs-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是i/o方式）完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設(shè)備連接，完成對(duì)所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術(shù)的初始想法。

1.2.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生

基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是i/o（4-20ma/24vdc）信號(hào)，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。

1.2 現(xiàn)場總線技術(shù)概念

1.2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)

目前，的現(xiàn)場總線技術(shù)概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程"包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。

或者，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

1.2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的意義

（1）現(xiàn)場總線（fieldbus）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級(jí)控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；是一次工業(yè)現(xiàn)場級(jí)設(shè)備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術(shù)可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設(shè)備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20ma/24vdc信號(hào)，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。

（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對(duì)一連線的、4-20ma/24vdc信號(hào)，信息量有限，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島"，嚴(yán)重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。

（3）基于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)， 構(gòu)成企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在cims系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠到現(xiàn)場級(jí)設(shè)備的延伸，是支撐現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2.3 基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

基于現(xiàn)場總線技術(shù)的現(xiàn)場級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖1-3所示：